單粒子翻轉(zhuǎn)引起SRAM型FPGA的故障機(jī)理闡述

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，大規(guī)模集成電路變得更加復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期變得更長(zhǎng)。FPGA由于具備可編程性，其廣泛應(yīng)用可以降低電路的開(kāi)發(fā)成本。然而，單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）會(huì)使FPGA內(nèi)部的大量的存儲(chǔ)器變得不可靠，尤其是Static RAM（SRAM）型FPGA的配置存儲(chǔ)器受到重離子轟擊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致器件邏輯布線出錯(cuò)，進(jìn)而引起模塊故障，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的功能中斷。對(duì)于SRAM型FPGA，配置存儲(chǔ)器的單粒子翻轉(zhuǎn)占整個(gè)器件翻轉(zhuǎn)總數(shù)的90%以上的比例［1］，因此對(duì)配置存儲(chǔ)器的單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)十分重要。

目前也有一些方法可以對(duì)抗SEU。三模冗余（Triple Modular Redundancy，TMR）是一種常用的有效加固設(shè)計(jì)，可以有效提高可靠性。TMR的每一個(gè)冗余支路可以屏蔽一個(gè)錯(cuò)誤，但無(wú)法處理多比特翻轉(zhuǎn)，尤其是3倍資源的消耗也會(huì)影響整個(gè)器件的運(yùn)行功耗。為了減少資源的消耗，文獻(xiàn)［2］提出了一種基于雙模冗余（Double Modular Redundancy，DMR）的檢錯(cuò)電路，它以較小的資源代價(jià)來(lái)處理多比特翻轉(zhuǎn)；文獻(xiàn)［3］提出了一種星載信號(hào)處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)，利用高可靠性的反熔絲Actel FPGA對(duì)Xilinx V4系列 FPGA進(jìn)行監(jiān)控和刷新；文獻(xiàn)［4］介紹了FPGA的刷新設(shè)計(jì)要處理Half-latch，來(lái)避免回讀無(wú)法發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤；文獻(xiàn)［5］介紹了一種高效的加固測(cè)試的方法；文獻(xiàn)［6］提出了基于ZYNQ加固的技術(shù)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，功能模塊的集成度逐漸提高，Xilinx公司Kintex-7系列FPGA是當(dāng)下較為普遍的處理器，而對(duì)其的單粒子防護(hù)變得更為迫切。為了提高可靠性，有效對(duì)抗空間輻射引起的故障，本文提出了一種基于高可靠性反熔絲Actel FPGA對(duì)Xilinx Kintex-7 FPGA進(jìn)行回讀、校驗(yàn)和刷新的處理平臺(tái)。

1 空間輻射

空間中的電子器件，會(huì)受到空間中大量高能輻射粒子（質(zhì)子、電子、α粒子、重離子、γ射線等）的作用，高能粒子對(duì)半導(dǎo)體器件PN結(jié)的碰撞，在重粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡周?chē)纬呻姾杀籔N節(jié)靈敏電極收集形成瞬態(tài)電流，當(dāng)瞬態(tài)電流超過(guò)一定值就會(huì)觸發(fā)邏輯電路，將造成半導(dǎo)體存儲(chǔ)器或觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)、邏輯功能的瞬時(shí)異?；蛑袛?，即單粒子效應(yīng)。

根據(jù)單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，可以對(duì)航天應(yīng)用中的集成電路芯片進(jìn)行加固，以減少單粒子效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)功能的影響。對(duì)于單粒子效應(yīng)的加固，從加固方法上可將其分為工藝上加固和功能上加固兩大類(lèi)。

工藝上的加固指的是采用抗輻射能力強(qiáng)的工藝和材料，制造出具有較高抗輻射能力的器件，例如宇航級(jí)的器件，它本身就進(jìn)行了輻射加固設(shè)計(jì)。功能上的加固是指通過(guò)復(fù)位或者重寫(xiě)操作對(duì)器件進(jìn)行修復(fù)，將單粒子效應(yīng)引起的錯(cuò)誤邏輯進(jìn)行糾正，從而達(dá)到抗輻射的目的。

2 研究現(xiàn)狀

美國(guó)的好奇號(hào)探測(cè)器、金星快車(chē)探測(cè)器均使用Xilinx公司的宇航級(jí)FPGA，目前該公司的抗輻射FPGA產(chǎn)品如Virtex-4QV（以下簡(jiǎn)稱V4）被認(rèn)為是用于空間應(yīng)用的成熟處理器。但其高昂的價(jià)格和較長(zhǎng)的采購(gòu)周期提高了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究成本。Xilinx制造的Kintex-7（以下簡(jiǎn)稱K7） FPGA具有低功耗高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，并且可用資源比抗輻射的V4有較大優(yōu)勢(shì)，表1比較了V4（具體型號(hào)為XQ4VSX55）和K7（具體型號(hào)為XC7K32ST）兩款芯片的主要參數(shù)［7］。

XC7K325T的邏輯單元是XQ4VSX55的5.9倍，DSP資源是它的1.6倍，豐富的資源提供了復(fù)雜信號(hào)處理的解決能力，同時(shí)為系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。

XC7K325T和XQ4VSX55均采用SRAM型結(jié)構(gòu)，其主要硬件組成為：可配置存儲(chǔ)器（Configurable Memory）、可編程邏輯單元（Configurable Logic Block）、可編程輸入輸出口（Programmable IO）、塊存儲(chǔ)器（BlockRAM）、乘法器（Multiplier）、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊（Digital Clock Manager）、配置狀態(tài)機(jī)（Configuration State Machine）、上電復(fù)位狀態(tài)機(jī)（Power On Reset State Machine）、布線資源（Routing Resource）。

由于采用SRAM型結(jié)構(gòu)，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)PGA故障多數(shù)是由可配置存儲(chǔ)器發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）引起的［8］?？膳渲么鎯?chǔ)器控制著FPGA設(shè)計(jì)中的控制位（Control Bit）、查找表（Look Up Table）、開(kāi)關(guān)矩陣（Multiplexiers）、可編程互連點(diǎn)（Programmable Interconnect Points）和布線緩存器（Routing Buffer）。根據(jù)可配置存儲(chǔ)器中各類(lèi)功能位所占的比例，可以判斷可配置存儲(chǔ)器單粒子翻轉(zhuǎn)主要引起布線資源的錯(cuò)誤。單粒子翻轉(zhuǎn)影響它所在功能模塊的功能，但并不一定引起整個(gè)器件信號(hào)處理功能的失效，并且此類(lèi)故障可以通過(guò)刷新來(lái)修復(fù)。

3 加固平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

本單粒子加固平臺(tái)主要由高可靠性單元（High Reliability Unit，HRU）、XC7K325T和PROM組成。其中，信號(hào)處理部分由一片F(xiàn)PGA完成，高可靠單元完成對(duì)FPGA的配置、監(jiān)控、回讀校驗(yàn)和刷新功能?；赬C7K325T的抗SEU平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖中K7 FPGA和反熔絲HRU直接交互，同時(shí)HRU直接與存儲(chǔ)芯片連接，程序采用幀校驗(yàn)的方法來(lái)比對(duì)K7 FPGA中的配置位，存儲(chǔ)芯片17V16的大小為16 Mb，經(jīng)過(guò)計(jì)算共需要6片17V16。

3.2 K7的上電配置

該平臺(tái)工作流程是，系統(tǒng)加電后，HRU首先配置K7，根據(jù)K7的配置時(shí)序圖（如圖2所示），首先置低PROGRAM_B引腳，初始化K7的配置寄存器，當(dāng)INIT_B引腳變高后，這時(shí)再將PROM中的程序下載到K7中，當(dāng)配置完成后，K7的DONE引腳會(huì)變高，意味著配置成功，此時(shí)K7開(kāi)始工作；這時(shí)HRU首先檢測(cè)配置是否成功，如果未成功，則重新配置；如果配置K7成功后，它的看門(mén)狗電路開(kāi)始工作，這時(shí)HRU進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)，實(shí)時(shí)地檢測(cè)K7的工作狀態(tài)。

其中K7的各個(gè)配置引腳的定義如表2所示。

3.3 K7的回讀校驗(yàn)與刷新

當(dāng)K7配置完成后，等待回讀校驗(yàn)命令對(duì)器件進(jìn)行回讀測(cè)試。K7的回讀校驗(yàn)采用按幀編碼校驗(yàn)的方式。在回讀過(guò)程中，對(duì)出錯(cuò)的幀進(jìn)行記錄和數(shù)傳。當(dāng)K7的回讀校驗(yàn)都完成以后，進(jìn)行錯(cuò)誤判決。如果檢測(cè)出錯(cuò)誤，則對(duì)相應(yīng)的器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)處理，使其恢復(fù)到原始設(shè)計(jì)狀態(tài)。完整的K7抗SEU加固軟件執(zhí)行流程如圖3所示。

其中檢測(cè)K7的狀態(tài)是通過(guò)回讀操作完成的，回讀是通過(guò)SelectMAP接口將K7內(nèi)部配置存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀出的過(guò)程?；刈x過(guò)程可以讀出K7存儲(chǔ)器的當(dāng)前狀態(tài)以及布線資源的配置情況等，然后通過(guò)檢測(cè)回讀數(shù)據(jù)來(lái)判斷當(dāng)前配置數(shù)據(jù)的正確性?；刈x校驗(yàn)是K7單粒子效應(yīng)故障檢測(cè)的重要方法?；刈x過(guò)程分為寫(xiě)操作命令、讀取數(shù)據(jù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)三部分。FPGA每一幀回讀數(shù)據(jù)的內(nèi)容都決定著與其相對(duì)應(yīng)的功能模塊的邏輯功能。通過(guò)對(duì)配置存儲(chǔ)器的回讀和校驗(yàn)，HRU可以決定是否需要對(duì)該功能模塊進(jìn)行局部重配置。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)采用的動(dòng)態(tài)回讀是在不中斷正在運(yùn)行的電路邏輯功能的情況下對(duì)配置存儲(chǔ)器的回讀。當(dāng)回讀發(fā)現(xiàn)K7的配置數(shù)據(jù)異常時(shí)，則進(jìn)行刷新操作。刷新操作是在對(duì)目標(biāo)器件K7的錯(cuò)誤配置數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)修復(fù)，通過(guò)以上流程HRU可以完成對(duì)XC7K325T的SEU加固。

為通過(guò)模擬XC7K325T空間環(huán)境應(yīng)用時(shí)發(fā)生SEU，對(duì)加固軟件的回讀校驗(yàn)和刷新功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖4所示。

測(cè)試系統(tǒng)主要由故障生成計(jì)算機(jī)、XC7K325T和HRU組成。為了調(diào)試方便，用Flash存儲(chǔ)K7的配置文件，計(jì)算機(jī)通過(guò)JTAG口將錯(cuò)誤的配置信息燒錄到FPGA中，HRU通過(guò)與Flash存儲(chǔ)的配置文件比對(duì)，檢測(cè)出SEU后實(shí)施刷新操作。通過(guò)工作指示可以監(jiān)測(cè)當(dāng)注入錯(cuò)誤的配置信息后K7的工作狀態(tài)，隨后當(dāng)回讀校驗(yàn)刷新時(shí)，F(xiàn)PGA的原有的配置程序功能恢復(fù)。

測(cè)試主要分為以下幾個(gè)步驟：

（1）以存儲(chǔ)在Flash中的配置文件為基礎(chǔ)，修改其中的一位或幾位，并生成校驗(yàn)正確的配置文件；

（2）將兩種配置文件的工作指示加以區(qū)別以便監(jiān)測(cè)刷新操作；

（3）模擬SEU注入修改過(guò)的配置文件，并觀察工作指示；

（4）等待程序中設(shè)定的校驗(yàn)時(shí)間后，通過(guò)工作指示判斷HRU是否檢測(cè)到了翻轉(zhuǎn)并實(shí)施刷新操作；

（5）改變翻轉(zhuǎn)的數(shù)目和故障注入的位置，重復(fù)試驗(yàn)。

測(cè)試表明，HRU加固軟件能夠正常完成對(duì)單片XC7K325T的上電配置，檢測(cè)XC7K325T配置存儲(chǔ)區(qū)的SEU和修復(fù)功能。

5 后續(xù)工作

FPGA單粒子效應(yīng)故障加固設(shè)計(jì)，針對(duì)程序代碼本身還需要增加以下幾項(xiàng)工作，來(lái)增加整體平臺(tái)對(duì)抗SEU的能力：

（1）對(duì)于FPGA中的關(guān)鍵邏輯模塊，要采取三模冗余［9］設(shè)計(jì)TMR（Triple Modular Redundancy）；

（2）如果FPGA對(duì)信號(hào)的運(yùn)算速度要求寬裕，可以利用檢錯(cuò)算法來(lái)判斷FPGA的邏輯運(yùn)行是否正確［10］；

（3）可以在程序中增加邏輯探針，用區(qū)域約束布線的方法固定在FPGA重要模塊的附近，實(shí)時(shí)對(duì)該區(qū)域的單粒子效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析空間輻射的特點(diǎn)，結(jié)合SRAM型FPGA的硬件結(jié)構(gòu)，闡述了單粒子翻轉(zhuǎn)引起SRAM型FPGA的故障機(jī)理，結(jié)合工程實(shí)踐提出了一種利用高可靠單元對(duì)XC7K325T進(jìn)行配置、監(jiān)控、回讀校驗(yàn)和刷新功能的抗單粒子翻轉(zhuǎn)的加固平臺(tái)設(shè)計(jì)。模擬了故障注入對(duì)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試表明該加固平臺(tái)設(shè)計(jì)可以完成對(duì)FPGA監(jiān)控和修復(fù)，為Kintex-7 系列大容量的FPGA在空間環(huán)境中應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。試驗(yàn)表明該平臺(tái)可以有效修復(fù)單粒子效應(yīng)引起的位翻轉(zhuǎn)和功能故障。

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